機械裝備狀態(tài)監(jiān)測的光纖光柵傳感網(wǎng)相關理論與技術研究.pdf

1、重大機械裝備運行的可靠性和穩(wěn)定性直接影響國民經(jīng)濟發(fā)展和國防建設能力，一旦發(fā)生故障，將引起重大經(jīng)濟損失和嚴重后果。隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展以及機械裝備的高速、高精和高自動化發(fā)展，機械系統(tǒng)工作狀態(tài)呈現(xiàn)出多維、耦合、時變、非線性的特點，因此對其運行狀態(tài)動態(tài)監(jiān)測提出了更高要求。傳統(tǒng)電測傳感器一般由于存在抗干擾能力差、環(huán)境適應性弱、體積質(zhì)量大、關鍵部位難以部署等缺點，從而難以滿足機械裝備長期準確安全監(jiān)測的需要。無線傳感網(wǎng)由于其易受電磁干擾，傳輸能力

2、與節(jié)點能量有限，安全性無法保證等缺點，也難以滿足多點、多場、分布式的大型裝備狀態(tài)監(jiān)測的要求。光纖光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）傳感器及其傳感網(wǎng)以其非電傳感、抗電磁干擾、分布式組網(wǎng)、動態(tài)多場、尺寸小、壽命長等優(yōu)點，特別是對于經(jīng)常處于多場耦合、環(huán)境復雜、狀態(tài)多變等惡劣環(huán)境下的重大機械裝備運行狀態(tài)長期監(jiān)測具有重要意義。
　　本論文以重大機械裝備為應用對象，以裝備運行狀態(tài)健康監(jiān)測為目標，以FBG傳感網(wǎng)為傳感源，重點

3、以在不同網(wǎng)絡環(huán)境下對構建面向機械裝備狀態(tài)監(jiān)測的FBG傳感網(wǎng)系統(tǒng)所面臨的新要求、新技術、新服務為研究內(nèi)容，旨在實現(xiàn)機械裝備運行狀態(tài)全面感知、海量傳感信息實時傳輸、深度利用、感知資源充分共享的FBG傳感網(wǎng)服務化管理平臺。本研究工作的研究路線是：根據(jù)FBG傳感的智能感知網(wǎng)絡總體模型與實現(xiàn)目標，從傳感源出發(fā)，研究大容量FBG傳感網(wǎng)組網(wǎng)模型與尋址方法，滿足裝備狀態(tài)全面監(jiān)測的需要；對部署有多個傳感節(jié)點的單臺裝備以及廣域環(huán)境下的裝備集群，解決不同工作

4、場景下FBG傳感網(wǎng)海量傳感信息實時分布式傳輸、存儲、處理及與互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通的問題，形成基于光纖傳感的物聯(lián)網(wǎng)；并進一步探索在網(wǎng)絡化服務型制造模式下對機械裝備狀態(tài)監(jiān)測與維護管理的應用；同時研究基于FBG傳感網(wǎng)裝備狀態(tài)監(jiān)測的服務發(fā)布與組合機制，以屏蔽資源的異構性、系統(tǒng)的多樣性和地理的分布性，更大程度充分利用傳感資源。通過對上述技術的綜合利用，實現(xiàn)基于FBG傳感網(wǎng)的大型裝備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與廣域環(huán)境下的服務管理平臺。本論文的主要研究工作如下：

5、>　?。?）基于FBG傳感的智能感知網(wǎng)絡模型及異構網(wǎng)互聯(lián)互通方法研究。
　　針對機械裝備狀態(tài)監(jiān)測的FBG傳感網(wǎng)相關理論與關鍵技術，首先從總體上構建基于FBG傳感的智能感知網(wǎng)絡模型，描述了不同F(xiàn)BG傳感網(wǎng)環(huán)境下的應用對象與關鍵問題，為全文的研究提供整體架構。同時，從宏觀上研究了FBG傳感網(wǎng)與其它網(wǎng)絡的互聯(lián)互通模型，特別是針對FBG傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的接入互聯(lián)形成基于FBG傳感的物聯(lián)網(wǎng)的問題，從應用層信息映射角度提出了FBG傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)

6、的互聯(lián)互通模型，實現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下裝備狀態(tài)監(jiān)測的FBG傳感網(wǎng)的使用，為FBG傳感網(wǎng)傳感信息的訪問、存儲、分析、挖掘與共享奠定基礎。
　　（2）FBG傳感網(wǎng)大容量組網(wǎng)與尋址定位方法研究。
　　針對FBG傳感網(wǎng)傳統(tǒng)組網(wǎng)方法傳感節(jié)點數(shù)量少，無法滿足重大機械裝備運行狀態(tài)實時監(jiān)測對FBG傳感網(wǎng)大容量要求的問題，以研究有限光源帶寬和解調(diào)系統(tǒng)調(diào)諧范圍下滿足運行狀態(tài)全面感知需求的大容量、分布式FBG傳感網(wǎng)為目標，構建了基于新型編碼式FBG與

7、多種復用技術相結合的混合組網(wǎng)方法并提出了適合多種復雜傳感環(huán)境下編碼式FBG傳感網(wǎng)的高精度尋址算法，改進了傳統(tǒng)方法在波長變化量重合時嚴重失效的問題。實驗結果表明編碼式FBG傳感網(wǎng)的傳感節(jié)點容量能夠大幅提升，大容量傳感節(jié)點在多種復雜工況環(huán)境下都能夠準確尋址定位。為機械裝備運行狀態(tài)的全面感知打下基礎。
　　（3）基于FBG傳感網(wǎng)的裝備運行狀態(tài)高速海量感知信息分布式傳輸、存儲、處理方法研究。
　　針對大數(shù)據(jù)感知信息的傳輸、存儲與處理

8、問題，分別提出了不同應用場景下的解決方法。具體為：針對廣域分布式環(huán)境下面向裝備集群的大容量FBG傳感網(wǎng)在高采樣率下海量傳感信息的網(wǎng)絡傳輸問題，利用適用于實時數(shù)據(jù)流的開源消息處理架構Kafka部署分布式傳輸環(huán)境，以多生產(chǎn)者、消費者的發(fā)布訂閱方式取代傳統(tǒng)的SOCKET UDP直接通信模式，為實時海量傳感信息的分析與存儲提供條件；針對大數(shù)據(jù)感知信息實時存儲的問題，以單臺裝備和廣域環(huán)境下多裝備集群的不用應用場景下海量傳感信息存儲為目標，分別設計

9、了基于改進的關系數(shù)據(jù)庫實時存儲方法和基于大數(shù)據(jù)非關系數(shù)據(jù)庫的海量傳感信息實時存儲方法，為感知信息分析與挖掘提供基礎；針對實際應用中對裝備工作機理不能全面掌握前，運行狀態(tài)是否正常的標準難以定義以及傳統(tǒng)閾值設定的監(jiān)測方法產(chǎn)生的虛警問題，以挖掘自身海量傳感信息為目標，提出了基于大數(shù)據(jù)分布式處理的情境約束下離群點檢測方法。實驗結果表明，在不同工作場景下都能夠滿足海量傳感信息的實時傳輸、可靠存儲、實時狀態(tài)監(jiān)測，為后期對海量傳感信息的離線分析提供數(shù)

10、據(jù)基礎，使監(jiān)測結果更加準確。
　　（4）FBG傳感網(wǎng)裝備狀態(tài)監(jiān)測的服務發(fā)布與智能匹配方法研究。
　　針對網(wǎng)絡化服務型制造模式下對于機械裝備的多樣性，工作環(huán)境的異構性以及海量裝備感知資源充分利用和共享的問題，以廣域環(huán)境下基于FBG傳感網(wǎng)裝備運行狀態(tài)的豐富感知資源的靈活使用與共享和裝備接入狀態(tài)監(jiān)測服務平臺時能夠敏捷構建基于服務的健康監(jiān)測系統(tǒng)為目標，提出了基于FBG傳感網(wǎng)裝備狀態(tài)監(jiān)測的相關服務定義與抽象方法和基于服務鏈知識庫自動匹

11、配，多目標約束下的服務自動匹配，基于工作流的人機交互匹配三級遞進式服務匹配算法。實驗表明對部署有FBG傳感網(wǎng)的機械裝備進行狀態(tài)監(jiān)測時，能夠利用已有資源，通過服務匹配組合方式快速完成監(jiān)測與故障診斷功能，為構建網(wǎng)絡化服務型制造模式下的資源服務工廠，完成裝備與人員、生產(chǎn)、管理相融合的全生命周期服務型制造網(wǎng)絡提供基礎。
　　（5）FBG傳感網(wǎng)裝備運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與服務化管理平臺研究。
　　針對FBG傳感網(wǎng)裝備運行狀態(tài)監(jiān)測的系統(tǒng)集成與